Основные применения и ключевые преимущества литья под давлением

Каковы распространенные применения литья под давлением? Что выделяет его как производственный процесс? Эта статья охватывает ключевые преимущества литья под давлением и дает понимание, подходит ли оно для применений вашей отрасли.

Отрасли переходят с металла на пластиковые компоненты из-за снижения веса, производительных атрибутов, экономии затрат, различных видов стойкости к коррозии и другому износу, а также быстрых производственных сроков. Процесс, способный обеспечить эти преимущества для производства пластиковых деталей — литье под давлением.

Источником более 40% всех пластиковых деталей в мире и рынком объемом $300 млрд по состоянию на середину 2022 года, литье под давлением — это процесс формирования компонентов в формах. В последние годы оно набрало еще больше популярности в медицинской отрасли, особенно из-за растущего спроса на биоразлагаемые материалы, более экологичные, и способности достигать высококачественных, экономичных деталей.

Универсальность литья под давлением позволяет производить большие объемы деталей по более низкой цене за единицу и с большей скоростью по сравнению с другими процессами вроде ЧПУ-обработки и 3D-печати. Существует более 25 000 инженерных материалов, совместимых с литьем под давлением, для выбора, и вы также можете масштабировать продукты в тысячи или даже миллионы.

Стоит рассматривать литье под давлением для проектов:

Требующих большие годовые производственные объемы;
С сложными дизайнами и формами (при условии, что дизайн учитывает ограничения литья под давлением вроде андеркатов и толщины стенок);
Потребующих консолидацию деталей или замену металла пластиком;
Где качество поверхности — важный фактор;
С материалами, которые были бы слишком дороги при других производственных процессах;
С дорогими материалами, создающими бюджетные проблемы при механической обработке;
Или в случае, если дизайн, вероятно, останется неизменным или будет меняться лишь незначительно на протяжении нескольких лет (и производственных серий).

Давайте углубимся в распространенные применения литья под давлением и ключевые преимущества этого процесса крупносерийного производства.

Какие детали можно изготовить литьем под давлением?

Литье под давлением широко распространено в различных отраслях. Вы, вероятно, найдете литые под давлением пластиковые детали в строительстве, пищевой и напиточной промышленности, потребительских товарах и многих других.

Наиболее частые применения на платформе Protolabs Network:

Аэрокосмическая промышленность
Автомобилестроение
Электроника
Медицина

Литье под давлением аэрокосмических деталей

Аэрокосмические компоненты должны соответствовать специфическим стандартам. Они должны быть легкими, долговечными и выдерживать экстремальные перепады температур.

Наиболее распространенные литые под давлением детали для авиации:

Обтекатели (bezels)
Каркасные компоненты (chassis components)
Корпуса (enclosures)
Обтекатели/корпуса (housings)
Панели (panels)

Литье под давлением автомобильных деталей

За годы транспортные технологии стали более продвинутыми. В среднем автомобиль содержит 30 000 деталей внутри и снаружи — от блока двигателя к крошечным датчикам, предупреждающим водителей о безопасности или обслуживании. Почти каждый пластиковый компонент в салоне вашего автомобиля литой под давлением, так же как внешние детали вроде бамперов.

Другие стандартные компоненты, литые под давлением для автомобилей:

Корпуса (housings)
Подстаканники и другие отсеки хранения
Компоненты приборной панели

Три наиболее распространенных материала для литья в автопроме:

Полипропилен (PP) для некритичных деталей
ПВХ для погодостойкости
ABS для высокой ударной прочности

Литье под давлением деталей потребительской электроники

Литые под давлением корпуса защищают электронные компоненты, которые мы все используем сегодня. Коррозийно-стойкие пластиковые обтекатели защищают металлические компоненты от агрессивных сред и перепадов температур.

Другие электронные компоненты из литья под давлением:

Сборки (assemblies)
Корпуса батарей
Каналы (conduits)
Компоненты для ноутбуков и настольных компьютеров
Корпуса и обтекатели для печатных плат
Электрические выключатели

Благодаря отличной ударной стойкости и хорошей электрической изоляции, ABS и полистирол (PS) предпочтительны для электроники.

Литье под давлением деталей медицинской техники

Проектирование и производство медицинских продуктов и технологий требует соблюдения строгих национальных и международных стандартов для предотвращения рисков для пациентов. В США, например, производители медицинских компонентов должны использовать смолы с одобрением FDA и ISO-сертификацией.

В Protolabs Network мы производим пластиковые корпуса для разных медицинских инструментов, прозрачные детали и компоненты для МРТ-аппаратов.

Protolabs Network предоставляет разнообразие стерилизуемых и биосовместимых материалов для литых под давлением медицинских компонентов. Медицинский силикон — самый популярный; однако это термореактoplast, поэтому требуются специальное оборудование и контроль процесса, что увеличивает стоимость.

Для применений с менее строгими требованиями можно использовать материалы вроде ABS, полипропилена (PP) и полиэтилена (PE).

Каковы преимущества литья под давлением?

Литье под давлением в целом более надежно и эффективно, чем другие производственные методы, если вы хотите произвести много одинаковых деталей. Оно может производить широкое разнообразие геометрий и размеров деталей.

Другие преимущества литья под давлением:

Крупносерийное, экономичное и быстрое производство пластиков
Экономия затрат
Повышенная прочность и долговечность
Жесткие допуски и выдающаяся повторяемость
Материальная гибкость
Отличный визуальный вид

Как литье под давлением делает много деталей быстро и экономично?

Литье под давлением стоимостно конкурентоспособно для производства больших объемов идентичных пластиковых деталей. После создания формы и настройки станка детали можно производить быстро по низкой стоимости.

Рекомендуемый минимальный производственный объем для литья под давлением — 500 единиц. В этой точке начинают действовать эффекты масштаба, и относительно высокие начальные затраты на инструменталку меньше влияют на цену единицы.

Protolabs Network может произвести около 100 000 деталей из ABS с использованием всего одной формы по средней цене $0,68, хотя это варьируется в зависимости от размера детали.

Типичный цикл литья под давлением длится около 15–60 секунд в зависимости от размера детали и сложности формы. В сравнении, ЧПУ-обработка и 3D-печать могут требовать минуты или часы для производства той же геометрии.

С литьем под давлением вы выводите детали на быстрее и получаете конкурентное преимущество способностью производить множество идентичных объектов одновременно в течение часа.

Как литье под давлением снижает затраты?

Литье под давлением дает несколько затратовых преимуществ над другими производственными процессами. Сегодня процесс автоматизирован машинами и роботами, управляемыми одним техником, что снижает затраты на труд и переработку из-за дефектов или человеческих ошибок.

Фокус на DFM (проектирование для производства) также дает затратовые выгоды, уменьшая количество проблем с формообразованием. DFM создает коллаборативный процесс между OEM, инженерными командами и заказчиками, снижая количество смен инструментов, простоев станков и других производственных задержек.

Очень мало отходов ассоциировано с литьем под давлением, потому что количество материала, необходимого для заполнения формы, определяется на стадии проектирования. Любые отходы или обрезки могут быть переработаны и повторно использованы для других проектов.

Являются ли литые под давлением детали прочными и долговечными?

Прочность литых под давлением деталей исходит от их однослойного дизайна и непрерывной формы. За годы спрос на прочность и долговечность рос, и сегодня легкие термопласты так же прочны, как некоторые металлические детали.

Вы хотите определить прочность вашей детали в начале процесса проектирования, потому что это поможет сбалансировать другие проектные соображения и подтвердить, какие материалы использовать.

Как литье под давлением достигает жестких допусков и отличной повторяемости?

Литье под давлением высоко повторяемо. Конечно, форма изнашивается со временем, но типичный пилотный алюминиевый мольд служит в среднем 5 000–20 000 циклов перед заменой. Полноразмерные производственные формы из инструментальной стали длятся около 100 000+ циклов.

Литье под давлением обычно производит детали с допусками ±0,500 мм (0,020"). Более жесткие допуски до ±0,125 мм (0,005") также выполнимы в определенных обстоятельствах. Этот уровень точности достаточно для большинства применений и сравним с ЧПУ-обработкой и 3D-печатью.

Какие материалы можно использовать для литья под давлением?

Более 25 000 инженерных материалов совместимы с литьем под давлением, включая термопласты, силиконы, термореактопласты и смолы. Это означает широкий спектр материалов с разнообразными физическими свойствами для выбора и проектирования вашей детали. Возможности бесконечны.

Детали, произведенные литьем под давлением, имеют отличные физические свойства, которые можно адаптировать с добавками, например стекловолокном, или смешиванием разных гранул, вроде PC/ABS блендов, для достижения желаемого уровня прочности.

Вы хотите убедиться, что выбрали правильные материалы для вашего дизайна. Имейте в виду ударную и растяжную прочность детали, температуру деформации под нагрузкой, водопоглощение и модуль упругости на изгиб.

Каков косметический качество литых под давлением деталей?

Литье под давлением производит изделия, требующие мало или никакой дополнительной отделки. Большинство литых деталей имеют гладкую поверхность, но вы можете спроектировать продукт с матовой отделкой и уникальными текстурами и гравировками.

Литые детали можно полировать до высокой степени, создавая зеркальную отделку, а также можно подвергнуть пескоструйке для разработки более текстурированного типа покрытия. Ознакомьтесь со стандартами SPI, диктующими уровень отделки, достижимый для литых под давлением компонентов.

Полная прозрачность — какие недостатки у литья под давлением?

Хотя литье под давлением дает несколько преимуществ над другими производственными процессами, есть и недостатки.

Во-первых, главное экономическое ограничение — высокие начальные затраты на инструменталку. Инженеры-конструкторы должны создавать кастомную форму для каждой геометрии, делая начальные инвестиции довольно дорогими. Проектирование и изготовление формы стоит от $5 000 до $100 000. По этой причине литье под давлением экономически целесообразно для производств более 500 единиц.

После создания формы любые дизайнерские изменения могут стать дорогостоящими, и модификации требуют создания новой формы с нуля. Это добавляет к лид-таймам и общим затратам.

Наконец, типичный срок исполнения для литья под давлением — от шести до десяти недель — четыре-шесть недель на изготовление формы и две-четыре недели на производство и доставку. Изменения дизайна увеличивают срок. В Protolabs Network на изготовление формы и получение образцов клиентом уходит максимум 40 дней.

Как сравниваются литье под давлением и 3D-печать?

Литье под давлением и 3D-печать часто сравнивают друг с другом; однако вы должны рассматривать их как дополняющие, а не конкурирующие. 3D-печать может помочь сократить циклы предпроизводственных итераций литья под давлением и позволить лучшее тестирование, производство и общие результаты.